Naturwissenschaftliche Arbeitsweisen: Neuropharmakologie

Praktikum:
Naturwissenschaftliche Arbeitsweisen:
Neuropharmakologie - Lernen
Herzlich willkommen im Projekt Backstage Science. Ziel und Zweck dieses Projektes ist es,
Wissenschaft und Schule einander näher zu bringen. Sie haben hier die Möglichkeit, in
kleinen Gruppen mit professionellen wissenschaftlichen Methoden an grundlegenden
naturwissenschaftlichen Phänomenen eigenständig zu forschen. Dazu ist Ihre Kreativität,
aber auch eine genaue Planung und Auswertung der Versuche gefordert.
1 Der naturwissenschaftliche Erkenntnisweg
Naturwissenschaft zu betreiben, bedeutet naturwissenschaftlich zu arbeiten. Am Anfang
eines naturwissenschaftlichen Erkenntnisprozesses steht immer ein Phänomen, das zu
einer Frage führt.
Ein Neuropharmakologe oder eine Neuropharmakologin beispielsweise untersucht die
Effekte von Substanzen auf die Funktionsweise des Gehirns. Da z.B. immer noch sehr
kontrovers diskutiert wird, ob Cannabis-Konsum wirklich harmlos ist, interessiert ihn die
Frage: „Hat Cannabis-Konsum einen Einfluss auf das Lernvermögen?“
Der Wissenschaftler stellt nun eine begründete (Arbeits-) Hypothese auf: „Da der Wirkstoff
des Cannabis, das THC, an bestimmte Nervenzell-Rezeptoren bindet, die beim Lernvorgang
beteiligt sind, vermute ich, dass regelmäßiger Cannabis-Konsum das Lernverhalten
beeinträchtigt!“ Dabei greift er natürlich auch auf schon vorhandenes Wissen und
Forschungsergebnisse zurück.
Da Naturwissenschaften empirisch sind, das bedeutet, dass ihre Ergebnisse messbar und
wiederholbar sein müssen, entwickelt der Wissenschaftler ein Versuchsparadigma, einen
standardisierten Versuchsablauf für seine Experimente. Da unser Wissenschaftler ein
Neuropharmakologe ist, der seine Ergebnisse aus Verhaltensversuchen an Ratten bezieht,
wird er erst einmal die ihm zur Verfügung stehenden und ihm bekannten Methoden und
Materialen benutzen.
1
Er plant ein Experiment, dessen Ergebnisse er objektiv und
am besten quantitativ
auswerten kann und das wiederholbar ist. Um aber überhaupt einen Effekt messen zu
können, benötigt es Kontroll-Versuche. Kontrollen wären hier Versuchstiere, die ein
Lernverhalten zeigen, ohne Cannabis zu konsumieren. Nur so kann er im späteren Vergleich
überhaupt erkennen, ob ein messbarer Effekt vorliegt. Dabei stellt sich natürlich erst einmal
die Frage, ob es überhaupt ein Versuchsparadigma gibt, das zuverlässige und messbare
Ergebnisse liefert, die einen Lernvorgang repräsentieren.
Die Ergebnisse der Experimente müssen nun kritisch diskutiert werden. Entweder sie
bestätigen oder sie widerlegen seine anfänglich aufgestellten Hypothesen. Ist sie widerlegt,
muss eventuell eine andere Hypothese entwickelt werden. Wird sie bestätigt, kann aus der
anfänglichen Hypothese eine Theorie werden, bei der der Wirkmechanismus in Form eines
Modells dargestellt wird. Hierbei muss natürlich auch der aktuelle Stand der Wissenschaft
berücksichtigt und eingehend diskutiert werden.
Die Ergebnisse werden in Fachzeitschriften und Büchern und auf Kongressen veröffentlich,
dort diskutiert und im günstigsten Fall wird aus der formulierten Theorie eine allgemein
anerkannte Theorie. So lange, bis ein anderer Forscher mit seinen Experimenten die
Theorie widerlegt oder modifiziert.
2 Die Fragestellung
Eine groß angelegte, interdisziplinäre Studie soll die Effekte des Cannabis-Konsums auf die
Gesundheit von Menschen erforschen. Dabei sollen auch die Effekte auf das Gehirn
untersucht werden. Ihre Arbeitsgruppe, die neuropharmakologisch und verhaltensbiologisch
arbeitet, soll die Effekte des Cannabis auf das Lernvermögen erforschen. Die Aufgabe Ihrer
Forschergruppe ist es, die Grundlagen für alle weiteren Versuche zu legen, indem Sie
reproduzierbare Kontroll-Versuche für spätere neuropharmakologische Verhaltensversuche entwerfen, durchführen und auswerten.
Die Anforderungen im Einzelnen:
1. Lässt sich aus den vorliegenden Materialien bzw. Versuchstieren ein
Versuchsparadigma konstruieren und durchführen, das einen möglichen Lernvorgang
messbar und quantitativ auswertbar macht.
2. Ist dabei die Stärke des Lernvorgangs veränderbar?
3. Ist der Lernvorgang rückgängig zu machen?
2
Zur Verfügung stehen:
Versuchstiere: Ratte (Rattus norvegicus), Skinner-Box, Stoppuhr, Futter-Pellets, Leuchtdiode
mit Schalter, T-Labyrinth
Abbildung 1 Skinner-Box und T-Labyrinth
3 Die Hypothese
Entwickeln Sie begründete Arbeits-Hypothesen, wie sich Verhaltensversuche mit der
Skinner-Box und/oder dem T-Labyrinth realisieren lassen, die die obigen Fragen
beantworten können. Die Hypothesen werden zusammen mit der eigentlichen Fragestellung
schriftlich im Laborbuch (siehe unten) formuliert.
Bedenken Sie dabei, ob ggf. bestimmte Vorversuche notwendig sind. Überlegen Sie genau,
wie die Experimente ablaufen sollen, welche Verhaltensweisen der Tiere beobachtet werden
sollen, wann ein Experiment beendet ist oder wann es abgebrochen wird. Ab wann wird die
Zeit gemessen, welche Versuchsparameter sollen konstant gehalten werden, welche sollen
wie und wann verändert werden?
4 Das Experiment
Überprüfen Sie Ihre Hypothesen, indem Sie ihre geplanten Experimente durchführen. Achten
Sie dabei auf eine genaue Protokollierung (siehe Laborbuch). Denken Sie daran, dass ihre
Ergebnisse quantifizierbar sind und z.B. in Form einer Grafik ausgewertet und präsentiert
werden sollen.
Hinweis: Bei den folgenden Versuchen wird mit lebenden Tieren (Ratten) gearbeitet. Diese
Ratten werden in der Universität gezüchtet und gehalten. Sie werden nur für diesen Versuch
eingesetzt. Nach Versuchsende werden die Tiere wieder in ihre Käfige überführt. Bei den
Versuchen handelt es sich lediglich um Verhaltensversuche, wobei ein normales Verhalten
3
der Tiere beobachtet wird. Die Tiere erleiden keinen Schaden. Um ebenso Stress für die
Tiere zu vermeiden, ist ein sachgemäßer, vorsichtiger Umgang notwendig. Die Tiere werden
daher weder unnötig berührt oder gar geärgert. Die Handhabung erfolgt durch die Betreuer
oder nach einer Einweisung. Keiner muss die Tiere anfassen. Während des Versuchs ist auf
eine ruhige Arbeitsatmosphäre zu achten. Wurden die Tiere berührt, so müssen
anschließend die Hände gewaschen werden. Die Ratten sind an den Umgang mit Menschen
gewöhnt und zahm. Sie können aber auch beißen, wenn sie sich bedroht fühlen. Sollte das
geschehen, müssen sofort die Betreuer informiert werden. Ebenso sollten die Betreuer
vorher informiert werden, ob Allergien vorhanden sind, die den Umgang mit den Tieren
beeinträchtigen könnten.
5 Die Ergebnisse
Stellen Sie ihre Ergebnisse in einer angemessenen Form grafisch dar (siehe Laborbuch).
6 Die Diskussion
Diskutieren Sie Ihre Ergebnisse. Erläutern Sie dabei, ob ihre Versuche das Potenzial
besitzen, als Grundlage und Kontrolle für zukünftige neuropharmakologische Studien zu
dienen. Gehen Sie dabei auch auf Ungenauigkeiten und Fehlerquellen in ihren Versuchen
ein. Für den Fall, dass kein Lernvorgang zu messen war, stellen Sie Hypothesen für ein
alternatives Versuchsparadigma auf.
Entwickeln Sie aus ihrer Hypothese und ihren Ergebnissen eine Theorie des beobachteten
Lernvorganges der Ratte (welche einzelnen Schritte führen zu der Verhaltensänderung, die
wir hier als Lernen bezeichnen; hier eignet sich die Darstellung in Form eines
Flussdiagrammes). Stellen Sie auch kurz dar, wie weitere Experimente aussehen könnten,
bei denen dann schließlich der Einfluss von Cannabis auf das Lernverhalten gemessen
werden könnte.
7 Die Veröffentlichung
Fassen Sie Fragestellung, Hypothesen, Versuchsdurchführung, Ergebnisse und Diskussion
in Form einer einseitigen, gut formulierten Kurzmitteilung zusammen. Entwerfen Sie einen
aussagekräftigen Titel. Verwenden Sie folgende Gliederung: Einleitung, Material und
Methode, Ergebnisse und Diskussion. Präsentieren sie ihre Ergebnisse in der Lerngruppe
und diskutieren sie sie kritisch aber konstruktiv.
4
Laborbuch
Fragestellung:
Geplante Versuche (Arbeits-Hypothesen):
5
Ergebnisse zum Versuch Operante Konditionierung mit der Skinner-Box, Nr. _____
Gruppe____________________; Datum________________; Uhrzeit:________________
Bemerkungen zu den Experimenten:
Experiment Zeit
Rechter Hebel
Linker Hebel
Bemerkungen
1
Lernkurve – Skinner-Box
60
Anzahl der rechten Hebeldrücke
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Versuchszeit [Min]
2
Ergebnisse zum Versuch T-Labyrinth-Lernen, Nr. _____
Datum.________________; Uhrzeit:________________
O
O
Bemerkungen zum Versuchsablauf:
Experiment
Zeit (Min)
Bemerkungen
3
Lernkurve - Labyrinth-Lernen
100
90
80
Zeit [Sek]
70
60
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
30
Versuch Nr.
4
Diskussion:
5
Kurzmitteilung: Forschungsbericht Gruppe:____________________
Abteilung Neuropharmakologie
Titel:
6

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